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弦支穹顶结构由上部网壳和下部索杆体系组成,通过施加预应力使二者形成一体。由于结构自重相对较轻、刚度相对较大、稳定性相对较高,弦支穹顶结构已经广泛应用于大跨度空间结构。作为一种半刚性结构,弦支穹顶结构的几何形态和力学性能与施工过程密切相关,建造更为合理的弦支穹顶结构必须建立在对结构张拉过程的力学行为系统深入认识的基础上,必须依靠科学合理的施工找形方法和施工控制方法。
弦支穹顶结构施工过程中的结构性能和伺服施工过程分析是本文研究的两大主题。根据弦支穹顶结构国内外的研究现状和存在的问题,本文从在弦支穹顶结构合理的施工找形方法、考虑施工过程的全过程分析、临时支撑布置方式和卸载方式、预应力张拉参数分析、预应力张拉失效模式和预警以及结构伺服施工控制六个方面对两大主题展开系统的研究。
根据弦支穹顶结构各种构件的受力特点,选取梁单元模拟刚性构件、杆单元模拟撑杆、直线索单元模拟拉索。根据摩擦理论,对弦支穹顶结构张拉过程中索撑节点摩擦力损失进行了分析,导出并验证了环索预应力摩擦损失的简化计算公式。再通过总结若干实际工程的施工工艺,提炼出弦支穹顶结构的主要施工参数为:施工顺序、预拉力施加方式、临时支撑系统及预拉力张拉方式。从弦支穹顶结构张拉受力机理出发,提出以控制环索张拉力和结构控制点位移为张拉控制目标,并考虑施工过程影响的双控施工找形算法;结合施工进程划分和施工找形算法,施工全过程跟踪分析算法,并验证该算法的合理性和优越性。
对临时支撑拆除卸载过程进行分析,指出卸载的实质是结构体系转变和内力重分布的过程,计算说明了控制临时支撑拆除速率的必要性,得出分阶段慢速卸载具有合理和安全的优点,并提出了卸载失效预警参数即临界卸载时间trcr以及预警方法,对四种不同速率卸载方式进行对比分析,认为逐环卸载方式最为理想。
采用数值分析方法对弦支穹顶结构进行施工过程参数分析,系统分析了临时支撑的布置位置、布置方式、临时支撑刚度、张拉点布置和索撑节点摩擦力以及张拉力与结构受力性能的关系。影响临时支撑脱离情况的主要参数有临时支撑位置;影响网壳弯矩的主要参数有临时支撑位置、临时支撑数量;影响网壳轴力、网壳竖向位移的主要参数有临时支撑位置、临时支撑数量、张拉点布置:影响滑动端水平位移的参数主要有临时支撑位置、临时支撑数量、张拉点布置,但不太显著。从结构受力性能角度出发,提出了施工参数合理的取值范围。
结合预应力张拉施工分析与控制,提出了张拉施工过程中弦支穹顶结构可能的失效模式及参数化预警方法。采用考虑初始缺陷的线性屈曲分析计算结构的失效模式;弦支穹顶结构的失效模式可取缺陷结构的第一阶模态,取相对屈曲临界荷载和临时支承处网壳节点振动作为结构的失效预警参数,临时支承处网壳节点出现较大幅度的振动甚至发散为失效特征。
根据已有文献研究成果,针对弦支穹顶结构提出了空间预应力结构伺服施工控制的概念和关键问题,提出基于系统空间预应力结构分析的伺服施工控制方法:即施工方法→施工找形→结构施工→反应监测→参数识别→模型修正→施工方法。编制了用于弦支穹顶结构参数识别的BP神经网络算法程序及伺服施工控制算法程序,通过算例验证BP神经网络算法程序的正确性:本文采用BP神经网络算法程序及伺服施工控制算法程序,针对2008年奥运会羽毛球馆实际工程,利用参数识别技术,进行伺服施工分析。计算结果验证了本文提出的伺服施工控制算法能获得满足结构设计和施工要求的结构外形和受力性能,且具有加快施工进程及节省资源的优点。